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Capítulo 2: Estruturas do sistema operacional Conceitos de Sistema Operacional com Java – 7a ed., 15/11/2006 Silberschatz, Galvin e Gagne ©2007 Capítulo 2: Estruturas do sistema operacional Serviços do sistema operacional Interface com o usuário do sistema operacional Chamadas do sistema Tipos de chamadas do sistema Programas do sistema Projeto e implementação do sistema operacional Estrutura do sistema operacional Máquinas virtuais Geração do sistema operacional Boot do sistema Conceitos de Sistema Operacional com Java – 7a ed., 15/11/2006 2.2 Silberschatz, Galvin e Gagne ©2007 Objetivos Descrever os serviços que um sistema operacional oferece aos usuários, e outros sistemas Discutir as várias maneiras de estruturar um sistema operacional Explicar como os sistemas operacionais são instalados e personalizados e como eles realizam o boot Conceitos de Sistema Operacional com Java – 7a ed., 15/11/2006 2.3 Silberschatz, Galvin e Gagne ©2007 Serviços do sistema operacional Um conjunto de serviços do sistema operacional oferece funções que são úteis ao usuário: Interface com o usuário – Quase todos os sistemas operacionais têm uma interface com o usuário (UI) Varia entre linha de comando (CLI), interface gráfica com o usuário (GUI), batch Execução do programa – O sistema deve ser capaz de carregar um programa na memória e executar esse programa, terminar a execução, normal ou anormalmente (indicando erro) Operações de E/S – Um programa em execução pode exigir E/S, que pode envolver um arquivo ou um dispositivo de E/S. Manipulação do sistema de arquivos – O sistema de arquivos é de interesse particular. Obviamente, os programas precisam ler e gravar arquivos e diretórios, criá-los e excluí-los, pesquisá-los, listar informação do arquivo, gerenciamento de permissão. Conceitos de Sistema Operacional com Java – 7a ed., 15/11/2006 2.4 Silberschatz, Galvin e Gagne ©2007 Serviços do sistema operacional (cont.) Um conjunto de serviços do sistema operacional oferece funções que são úteis ao usuário (cont.): Comunicações – Processos podem trocar informações, no mesmo computador ou entre computadores de uma rede As comunicações podem ser via memória compartilhada ou por passagem de mensagens (pacotes movidos pelo SO) Detecção de erro – O SO precisa estar continuamente ciente dos erros possíveis Pode ocorrer na CPU e no hardware de memória, em dispositivos de E/S, no programa do usuário Para cada tipo de erro, o SO deve tomar a ação apropriada para garantir a computação correta e coerente Facilidades de depuração podem melhorar bastante as capacidades do usuário e do programador de usar o sistema de modo eficiente Conceitos de Sistema Operacional com Java – 7a ed., 15/11/2006 2.5 Silberschatz, Galvin e Gagne ©2007 Serviços do sistema operacional (cont.) Outro conjunto de funções do SO existe para garantir a operação eficiente do próprio sistema por meio do compartilhamento de recursos Alocação de recursos – Quando vários usuários ou várias tarefas estão executando simultaneamente, os recursos devem ser alocados a cada um deles Muitos tipos de recursos – Alguns (como ciclos de CPU, memória principal e armazenamento de arquivo) podem ter código de alocação especial, outros (como dispositivos de E/S) podem ter código geral de solicitação e liberação. Contabilidade – Registrar quais usuários usam quantos e que tipos de recursos do computador Proteção e segurança – Os proprietários da informação armazenada em um sistema de computador multiusuário ou em rede podem querer controlar o uso dessa informação; processos concorrentes não deverão interferir uns com os outros A proteção envolve garantir que todo o acesso aos recursos do sistema é controlado Segurança do sistema contra estranhos requer autenticação do usuário, se estende para defender dispositivos de E/S externos contra tentativas de acesso inválidas Se um sistema tiver que ser protegido e seguro, nele devem ser instituídas precauções. Uma cadeia é tão forte quanto seu elo mais fraco. Silberschatz, Galvin e Gagne ©2007 Conceitos de Sistema Operacional com Java – 7a ed., 15/11/2006 2.6 Interface de comando do sistema operacional - CLI CLI permite entrada direta de comando Às vezes implementado no kernel, às vezes pelo sistema operacional Às vezes, múltiplos tipos implementados shells Principalmente, busca um comando do usuário e o executa Às vezes, comandos internos, às vezes apenas nomes de programas No segundo caso, a inclusão de novos recursos não exige modificação do shell Conceitos de Sistema Operacional com Java – 7a ed., 15/11/2006 2.7 Silberschatz, Galvin e Gagne ©2007 Interface com o usuário do sistema operacional - GUI Interface amigável da metáfora do desktop Normalmente mouse, teclado e monitor Ícones representam arquivos, programas, ações etc. Diversos botões do mouse sobre objetos na interface causam diversas ações: fornecer informações, opções, executar função, abrir diretório (conhecido como pasta) Inventado na Xerox PARC Muitos sistemas agora incluem interfaces de CLIENTE e GUI Microsoft Windows é GUI com shell de “comando” CLI Apple Mac OS X como interface GUI “Aqua” com kernel do UNIX por baixo e shells disponíveis Solaris é CLI com interfaces GUI opcionais (Java Desktop, KDE) Conceitos de Sistema Operacional com Java – 7a ed., 15/11/2006 2.8 Silberschatz, Galvin e Gagne ©2007 Chamadas do sistema Interface de programação para os serviços fornecidos pelo SO Normalmente, escritas em uma linguagem de alto nível (C ou C++) Acessadas principalmente pelos programas por meio de uma Application Program Interface (API) de alto nível, ao invés do uso da chamada direta do sistema Três APIs mais comuns são Win32 API para Windows, POSIX API para sistemas baseados em POSIX (incluindo praticamente todas as versões do UNIX, Linux e Mac OS X) e Java API para a Java Virtual Machine (JVM) Por que usar APIs ao invés de chamadas do sistema? (Observe que os nomes de chamada do sistema usados neste texto são genéricos) Conceitos de Sistema Operacional com Java – 7a ed., 15/11/2006 2.9 Silberschatz, Galvin e Gagne ©2007 Exemplo de chamadas do sistema Seqüência de chamada do sistema para copiar o conteúdo de um arquivo para outro Conceitos de Sistema Operacional com Java – 7a ed., 15/11/2006 2.10 Silberschatz, Galvin e Gagne ©2007 Exemplo da API padrão Considere o comando Java read() byte[] b – o buffer no qual os dados são lidos int off – o offset inicial em b onde os dados são lidos int len – o número máximo de bytes a serem lidos Conceitos de Sistema Operacional com Java – 7a ed., 15/11/2006 2.11 Silberschatz, Galvin e Gagne ©2007 Implementação da chamada do sistema Normalmente, um número associado a cada chamada do sistema A interface de chamada do sistema mantém uma tabela indexada de acordo com esses números A interface de chamada do sistema invoca a chamada do sistema intencionada no kernel do SO e retorna o status da chamada do sistema e quaisquer valores de retorno Quem chama não precisa saber nada sobre como a chamada do sistema foi implementada Só precisa obedecer a API e entender o que o SO fará como uma chamada de resultado A maioria dos detalhes da interface do SO ocultados do programador pela API Gerenciado pela biblioteca de suporte de run-time (conjunto de funções embutidas nas bibliotecas incluídas com o compilador) Conceitos de Sistema Operacional com Java – 7a ed., 15/11/2006 2.12 Silberschatz, Galvin e Gagne ©2007 API – chamada do sistema – relacionamento do SO Conceitos de Sistema Operacional com Java – 7a ed., 15/11/2006 2.13 Silberschatz, Galvin e Gagne ©2007 Exemplo de biblioteca C padrão Programa C invocando chamada de biblioteca printf(), que chama a chamada do sistema write() Conceitos de Sistema Operacional com Java – 7a ed., 15/11/2006 2.14 Silberschatz, Galvin e Gagne ©2007 Passagem de parâmetro na chamada do sistema Normalmente, mais informações são necessárias do que simplesmente a identidade da chamada de sistema desejada Tipo exato e quantidade de informação variam de acordo com o SO e a chamada Três métodos gerais usados para passar parâmetros ao SO Mais simples: passar parâmetros nos registradores Em alguns casos, pode ser mais parâmetros do que registradores Parâmetros armazenados em um bloco, ou tabela, na memória, e endereço do bloco passado como um parâmetro em um registrador Essa é a técnica tomada pelo Linux e Solaris Parâmetros colocados, ou empurrados, na pilha pelo programa e retirados da pilha pelo sistema operacional Métodos de bloco e pilha não limitam o número ou a extensão dos parâmetros sendo passados Conceitos de Sistema Operacional com Java – 7a ed., 15/11/2006 2.15 Silberschatz, Galvin e Gagne ©2007 Passagem de parâmetros via tabela Conceitos de Sistema Operacional com Java – 7a ed., 15/11/2006 2.16 Silberschatz, Galvin e Gagne ©2007 Tipos de chamadas do sistema Controle de processo Gerenciamento de arquivo Gerenciamento de dispositivo Manutenção de informações Comunicações Conceitos de Sistema Operacional com Java – 7a ed., 15/11/2006 2.17 Silberschatz, Galvin e Gagne ©2007 Execução no MS-DOS (a) Na partida do sistema (b) Executando um programa Conceitos de Sistema Operacional com Java – 7a ed., 15/11/2006 2.18 Silberschatz, Galvin e Gagne ©2007 FreeBSD executando múltiplos programas Conceitos de Sistema Operacional com Java – 7a ed., 15/11/2006 2.19 Silberschatz, Galvin e Gagne ©2007 Programas do sistema Programas do sistema oferecem um ambiente conveniente para desenvolvimento e execução do programa. Eles podem ser divididos em: Manipulação de arquivo Informação de status Modificação de arquivo Suporte à linguagem de programação Carga e execução do programa Comunicações Programas de aplicação A visão do sistema operacional pela maioria dos usuários é definida por programas do sistema, e não pelas chamadas do sistema reais Conceitos de Sistema Operacional com Java – 7a ed., 15/11/2006 2.20 Silberschatz, Galvin e Gagne ©2007 dtrace do Solaris 10 seguindo chamada do sistema Conceitos de Sistema Operacional com Java – 7a ed., 15/11/2006 2.21 Silberschatz, Galvin e Gagne ©2007 Programas do sistema Fornecem um ambiente conveniente para desenvolvimento e execução de programa Alguns deles são simplesmente interfaces com o usuário para chamadas do sistema; outros são muito mais complexos Gerenciamento de arquivo – Criam, excluem, copiam, renomeiam, imprimem, listam e geralmente manipulam arquivos e diretórios Informação de status Alguns pedem informações do sistema – data, hora, quantidade de memória disponível, espaço em disco, número de usuários Outros oferecem informações detalhadas de desempenho, logging e depuração Normalmente, esses programas formatam e imprimem a saída no terminal ou outros dispositivos de saída Alguns sistemas implementam um registro – usado para armazenar e recuperar informações de configuração Conceitos de Sistema Operacional com Java – 7a ed., 15/11/2006 2.22 Silberschatz, Galvin e Gagne ©2007 Programas do sistema (cont.) Modificação de arquivo Editores de texto para criar e modificar arquivos Comandos especiais para pesquisar conteúdo de arquivos ou realizar transformações do texto Suporte a linguagem de programação – Compiladores, assemblers, depuradores e interpretadores às vezes fornecidos Carga e execução de programa – Carregadores absolutos, carregadores relocáveis, editores de vínculo e carregadores de overlay, sistemas de depuração para linguagem de alto nível e de máquina Comunicações – Oferecem o mecanismo para criar conexões virtuais entre processos, usuários e sistemas de computação Permite que os usuários enviem mensagens para as telas uns dos outros, naveguem por páginas Web, enviem mensagens de e-mail, efetuem login remotamente, transfiram arquivos de uma máquina para outra Conceitos de Sistema Operacional com Java – 7a ed., 15/11/2006 2.23 Silberschatz, Galvin e Gagne ©2007 Projeto e implementação do sistema operacional Projeto e Implementação do SO não “solucionável”, mas algumas técnicas provaram ser bem sucedidas Estrutura interna de diferentes sistemas operacionais pode variar bastante Comece definindo objetivos e especificações Afetado pela escolha do hardware, tipo do sistema Objetivos do usuário e objetivos do sistema Objetivos do usuário – o sistema operacional deve ser conveniente de usar, fácil de aprender, confiável, seguro e rápido Objetivos do sistema – sistema operacional deve ser fácil de projetar, implementar e manter, além de ser flexível, confiável, livre de erro e eficiente Conceitos de Sistema Operacional com Java – 7a ed., 15/11/2006 2.24 Silberschatz, Galvin e Gagne ©2007 Projeto e implementação do sistema operacional (cont.) Princípio importante para separar Política: O que será feito? Mecanismo: Como fazer isso? Mecanismos determinam como fazer algo, políticas decidem o que será feito A separação entre política e mecanismo é um princípio muito importante, permite o máximo de flexibilidade se decisões políticas tiverem que ser alteradas mais tarde Conceitos de Sistema Operacional com Java – 7a ed., 15/11/2006 2.25 Silberschatz, Galvin e Gagne ©2007 Estrutura simples MS-DOS – escrito para oferecer o máximo de funcionalidade no menor espaço Não dividido em módulos Embora o MS-DOS tenha alguma estrutura, suas interfaces e níveis de funcionalidade não são bem separados Conceitos de Sistema Operacional com Java – 7a ed., 15/11/2006 2.26 Silberschatz, Galvin e Gagne ©2007 Estrutura em camadas do MS-DOS Conceitos de Sistema Operacional com Java – 7a ed., 15/11/2006 2.27 Silberschatz, Galvin e Gagne ©2007 Técnica em camadas O sistema operacional é dividido em uma série de camadas (níveis), cada uma montada sobre camadas inferiores. A camada mais baixa (camada 0) é o hardware; a mais alta (camada N) é a interface com o usuário. Com a modularidade, as camadas são selecionadas de modo que cada uma use funções (operações) e serviços apenas de camadas de nível inferior Conceitos de Sistema Operacional com Java – 7a ed., 15/11/2006 2.28 Silberschatz, Galvin e Gagne ©2007 Sistema operacional em camadas Conceitos de Sistema Operacional com Java – 7a ed., 15/11/2006 2.29 Silberschatz, Galvin e Gagne ©2007 UNIX UNIX – limitado pela funcionalidade do hardware, o sistema operacional UNIX original tinha estruturação limitada. O SO UNIX consiste em duas partes separáveis Programas do sistema O kernel Consiste em tudo abaixo da interface de chamada do sistema e acima do hardware físico Oferece o sistema de arquivos, escalonamento de CPU, gerenciamento de memória e outras funções do sistema operacional; diversas funções para um nível Conceitos de Sistema Operacional com Java – 7a ed., 15/11/2006 2.30 Silberschatz, Galvin e Gagne ©2007 Estrutura do sistema UNIX Conceitos de Sistema Operacional com Java – 7a ed., 15/11/2006 2.31 Silberschatz, Galvin e Gagne ©2007 Estrutura do sistema de microkernel Move ao máximo do kernel para o espaço do “usuário” A comunicação ocorre entre os módulos do usuário usando a passagem de mensagens Benefícios: Mais fácil de estender um microkernel Mais fácil de portar o sistema operacional para novas arquiteturas Mais confiável (menos código está executando no modo kernel) Mais seguro Detrimentos: Overhead de desempenho da comunicação entre espaço do usuário e espaço do kernel Conceitos de Sistema Operacional com Java – 7a ed., 15/11/2006 2.32 Silberschatz, Galvin e Gagne ©2007 Estrutura do Mac OS X Conceitos de Sistema Operacional com Java – 7a ed., 15/11/2006 2.33 Silberschatz, Galvin e Gagne ©2007 Módulos A maioria dos sistemas operacionais modernos implementa módulos do kernel Usa a técnica orientada a objeto Cada componente do núcleo é separado Cada um fala com os outros por interfaces conhecidas Cada um é carregável conforme a necessidade dentro do kernel Em geral, semelhante a camadas, mas com mais flexibilidade Conceitos de Sistema Operacional com Java – 7a ed., 15/11/2006 2.34 Silberschatz, Galvin e Gagne ©2007 Técnica modular do Solaris Conceitos de Sistema Operacional com Java – 7a ed., 15/11/2006 2.35 Silberschatz, Galvin e Gagne ©2007 Máquinas virtuais Uma máquina virtual leva a técnica em camadas à sua conclusão lógica. Ela trata o hardware e o kernel do sistema operacional como se fossem tudo hardware Uma máquina virtual oferece uma interface idêntica ao hardware básico O sistema operacional cria a ilusão de múltiplos processos, cada um executando em seu próprio processador com sua própria memória (virtual) Conceitos de Sistema Operacional com Java – 7a ed., 15/11/2006 2.36 Silberschatz, Galvin e Gagne ©2007 Máquinas virtuais (cont.) Os recursos do computador físico são compartilhados para criar as máquinas virtuais O escalonamento de CPU pode parecer que os usuários têm seu próprio processador O spooling e um sistema de arquivos podem oferecer leitores de cartão virtual e impressoras de linha virtuais Um terminal normal de compartilhamento de tempo do usuário serve como o console do operador da máquina virtual Conceitos de Sistema Operacional com Java – 7a ed., 15/11/2006 2.37 Silberschatz, Galvin e Gagne ©2007 Máquinas virtuais (cont.) Máquina não virtual Conceitos de Sistema Operacional com Java – 7a ed., 15/11/2006 Máquina virtual 2.38 Silberschatz, Galvin e Gagne ©2007 Máquinas virtuais (cont.) O conceito de máquina virtual oferece proteção completa dos recursos do sistema, pois cada máquina virtual é isolada de todas as outras máquinas virtuais. Porém, esse isolamento não permite compartilhamento direto de recursos. Um sistema de máquina virtual é um veículo perfeito para pesquisa e desenvolvimento de sistemas operacionais. O desenvolvimento do sistema é feito na máquina virtual, ao invés de uma máquina física, e por isso não atrapalha a operação normal do sistema. O conceito de máquina virtual é difícil de implementar, devido ao esforço exigido para fornecer uma duplicata exata à máquina básica. Conceitos de Sistema Operacional com Java – 7a ed., 15/11/2006 2.39 Silberschatz, Galvin e Gagne ©2007 Arquitetura VMware Conceitos de Sistema Operacional com Java – 7a ed., 15/11/2006 2.40 Silberschatz, Galvin e Gagne ©2007 Java Java consiste em 1. Especificação de linguagem de programação 2. Application Programming Interface (API) 3. Especificação de máquina virtual Conceitos de Sistema Operacional com Java – 7a ed., 15/11/2006 2.41 Silberschatz, Galvin e Gagne ©2007 A Java Virtual Machine Conceitos de Sistema Operacional com Java – 7a ed., 15/11/2006 2.42 Silberschatz, Galvin e Gagne ©2007 A Java Virtual Machine Portabilidade da Java pelas plataformas. Conceitos de Sistema Operacional com Java – 7a ed., 15/11/2006 2.43 Silberschatz, Galvin e Gagne ©2007 O Java Development Environment Conceitos de Sistema Operacional com Java – 7a ed., 15/11/2006 2.44 Silberschatz, Galvin e Gagne ©2007 Sistemas operacionais Java O sistema operacional JX Conceitos de Sistema Operacional com Java – 7a ed., 15/11/2006 2.45 Silberschatz, Galvin e Gagne ©2007 Geração do sistema operacional Os sistemas operacionais são projetados para executar em qualquer uma de uma classe de máquinas; o sistema precisa ser configurado para cada ponto de computador específico O programa SYSGEN obtém informações referentes à configuração específica do sistema de hardware Booting – iniciar um computador carregando o kernel Programa de bootstrap – código armazenado na ROM que é capaz de localizar o kernel, carregálo na memória e iniciar sua execução Conceitos de Sistema Operacional com Java – 7a ed., 15/11/2006 2.46 Silberschatz, Galvin e Gagne ©2007 Boot do sistema O sistema operacional precisa estar disponível ao hardware, para que o hardware possa iniciá-lo Pequeno trecho de código – carregador de bootstrap, localiza o kernel, carrega-o na memória e o inicia Às vezes, um processo em duas etapas, onde o bloco de boot no local fixo carrega o carregador de bootstrap Quando o sistema é inicializado, a execução começa em um local fixo da memória Firmware usado para manter o código inicial de boot Conceitos de Sistema Operacional com Java – 7a ed., 15/11/2006 2.47 Silberschatz, Galvin e Gagne ©2007 Final do Capítulo 2 Conceitos de Sistema Operacional com Java – 7a ed., 15/11/2006 Silberschatz, Galvin e Gagne ©2007
